SE514675C2 - Optisk kopplare eller modulator samt laser innefattande en vågledare - Google Patents

Description

514 675 MATERIAL Anordningen består i sin enklaste form av en D-formig fiber, som på sin plana yta är belagd med ett material, vilket är höggradigt icke-linjärt, såsom en halvledare, såsom visas i fig. 1. Beläggningsmaterialet kan vara GaAs, InP, InGaAsP och andra III-V-halvledare, på s kisel och germanium baserade material, såsom amorft Si, amorft Ge, kiselkarbid, poröst Si, etc., II-VI-halvledare såsom CdTe, CdS, CdSe och kompositer, och material såsom LiF, NaF, NaCl och andra alkalihalogenider. Det påfórda materialet kan också behandlas ytterliga- re, såsom med hjälp av jon- eller elektronstrålebombardemang och UV-bestrålníng. Tillverk- ningen av anordningen kan också innefatta en anlöpningsprocess. Strukturer såsom enkla eller 10 multipla kvantbrunnsstrukturer av III-V- eller andra halvledare kan också beläggas på ñberns plana yta och verka som det höggradigt icke-linjära mediet. Det påförda materialet kan an- tingen vara amorft eller kristallint. Andra material av intresse, såsom skikt av sällsynta jord- artsmetaller, kan användas. I det följande kommer vi att hänvisa till skiktet som om det vore gjort av ett halvledarmaterial, men alla andra ovan beskrivna material ligger inom uppfin- is ningsidén. De fibrer, som skall användas, bör ha ett avstånd mellan kärna och luft av några mikrometer eller därunder och i det ideala fallet vara av singelmodtyp vid den våglängd, som är av intresse. Vi hänvisar till anordningen som den halvledarlgelagda fibern (HBF, eng.

SCF). När en enda ñber används, såsom beskrivits ovan, kallar vi den en SCF av enkel struktur eller uppbyggnad. Två D-forrniga fibrer kan placeras med de plana ytorna i ett rygg- zo mot-rygg-arrangemang, där halvledarskiktet ligger mellan de båda kärnorna, såsom visas i fig. 2a. Vi kallar detta SCF av dubbel struktur eller uppbyggnad. Avståndet mellan kärnan och den plana ytan i de D-forrniga fibrerna skall vara sådant, att det evanescenta fältet hos det ljus, vilket fortplantas genom fibrerna, kan växelverka med halvledarskiktet.

ICKE-LINJÄR KOPPLARE/ MODULAT OR zs Den bristande linjariteten hos halvledarskiktet kan utnyttjas genom att sända det styran- de ljuset PC med en lämplig våglängd genom ingångsstyrporten A (jämför ñg. 2b). Våg- längdsområdet hos det styrande ljuset PC är sådant, att det temporärt kan modifiera brytnings- index, absorptionen och överforingsegenskaperna hos halvledarmaterialet. Såsom ett exempel kan ljus vid en våglängd av 0,85 pm användas för ändra brytningsindex hos ett skikt av ao InGaAs. Signalljus P5, som inkommer i porten C, kan påverkas det tidigare nämnda styrande ljuset Pc, som inkommer i porten A. Vid frånvaro av Pc lämnar signalen Ps anordningen vid antingen porten B eller D liksom i en konventionell optisk kopplare (REF). I närvaro av Pc kan den andel ljus styras, som lämnar portama B och D. Till och med en svag signal Pc kan i avsevärd grad modifiera kopplarens överfóringsfiinktion och därför kan en svag signal PC as styra en starkare signal Ps liksom i en transistor.

Den ovan beskrivna, icke-linjära optiska kopplaren kan också användas som en optisk modulator för höga hastigheter. En kontinuerlig ljusvågsignal P5, som kopplas till porten C hos anordningen, kan stängas av och sättas på i portama B och D av en ljusstyrpuls, som kopplas till porten A. När modulationsdjupet är tillräckligt stort, fungerar anordningen som 514 675 3 en omkopplare eller switch. Eftersom anordningen är relativt okänslig för det styrande ljusets våglängd, kan till och med kraftig "chirpade" (ung. = spektralförvrängda) ljuspulser använ- das för att styra den spektralt rena signal, som kopplas in i porten C. Anordningens höga hastighet är baserad på att de fria laddningsbärare, som fotoinduceras i halvledaren genom s absorption av ljuspulsen, kan avklinga snabbt, så att hastighet av flera gigabits per sekund kan uppnås. Den optiska signal, som lärrmar anordningen genom portarna B och D, kan därför ha liten bandbredd och en modulering av hög hastighet.

Fastän den ovan beskrivna speciella geometrin är lämplig för många tillämpningar, kan andra arrangemang användas i samma anda. Till exempel kan en D-forrnig fiber med dubbel iokärna ha sina kopplingsegenskaper styrda genom aktivering av ett halvledarskikt, såsom äskådliggörs i ñg. 3a. Här intränger också det styrande ljusets evanescenta fält in i halvledar- skíktet och ändrar dess egenskaper. Till och med diskreta komponenter baserade på ett glas- substrat med begravda vägledare kan användas för styrd koppling, omkoppling eller switching och modulering. Till exempel kan ett par vâgledare tillverkas på ett glassubstrat med hjälp av is jonimplantation eller termisk indiffimdering. Ytterliga törångníng därpå av ett skikt av SiO/SiO2 kan vara önskvärd och lärnnar vågledarna inbäddade i glasmatrisen. Ett skikt av ett halvledarmaterial deponeras sedan på den övre ytan av de begravda vågledarna, så att det evanescenta fältet hos ljuset i vågledama sträcker sig in i halvledarrnaterialet (fig. 3b). Om- koppling från en till flera kanaler skulle då kunna vara möjlig och den omkopplade signalan- zo delen kan styras av ljus, som fortplantas längs en vågledare eller infaller mot anordningen utifrån (t ex vinkelrätt).

LASER De hittills beskrivna tillämpningarna av SCF gör bruk av inkommande styrande ljus, som verksamt ändrar materialets dämpning och brytningsindex. Halvledare används å andra zs sidan vidsträckt som lasermaterial. Allmänt sett är lasexpumpning elektrisk, men ljus har också använts för att pumpa laserstrukturer. När det styrande ljuset Pc (se fig. 2b) absorberas av halvledarskiktet, kan det ge upphov till ett överskott av elektroner i det exciterade till- ståndsbandet och ett överskott av hål i det lägre energibandet. Vid strålningsutsändande re- kombination kommer halvledaren att luminiscera. Här verkar det styrande ljuset Pc som so pumpljus och förutsatt att det är tillräckligt intensivt, kommer det att åstadkomma stimulerad emisssion och laserfunktion. Halvledarmaterialets höga brytningsindex gynnar ledning av ljuset i planet genom halvledarskiktet. För att ytterligare begränsa fältet till det pumpade området intill fiberns kärna, kan ett ej pumpat område av halvledaren avlägsnas med hjälp av litograñska förfaranden, såsom åskådliggörs i fig. 4a. Alternativt kan den D-formiga fibem as ha sin tvärsektionsprofil ändrad, såsom visas i ñg. 4b, för att säkerställa att enbart en smal remsa av halvledarrnaterialet leder ljus.

Fastän det ovan nämnda arrangemanget är lämpligt från en synpunkt med en i praktiken utförbar anordning, kan andra pumpningsgeometrier betraktas, såsom att externt pumpa en halvledarbelagd fiber (SCF) av enkel uppbyggnad. 514 675 BRAGG-GITTER I REALTID När två ljusstrålar interfererar på halvledarskiktet, kan ett gitter bildas, som kan av- kännas genom signalens Ps evanescenta fält. Om detta gitters period uppfyller Bragg-villkoret, kommer ljus, som fortplantas längs fiberkänian, att reflekteras. Gittrets period kan iriställas s utifrân genom att t ex ändra vinkeln eller våglängden hos de interfererande strålarna. Detta skulle möjliggöra en vâglängdsberoende tillbakareflektion, som kan användas vid rnultíplexing eller demultiplexing. Avlänkning av ljus ut från anordningen är också möjlig.

Claims (8)

514 675 5 PATENTKRAV

1. Optisk kopplare eller modulator, k ä n n e t e c k n a d av - två D-formiga optiska fibrer anbragta i rygg-mot-rygg-forhållande, - ett materialskikt anbragt mellan fibrernas plana ytor och så nära intill en kärna i var och en s av fibrerna, att det evanescenta fältet hos ljus, som fortplantas i var och en av fibrerna, sträc- ker sig fram till skiktet, varvid - materialskiktet har i hög grad olinjära optiska egenskaper och särskilt är ett halvledarmateri- al.

2. Optisk kopplare eller modulator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av 10- att styrande ljus leds till en forsta ände av en forsta av de båda D-formiga fibrerna och signalljus till en forsta ände av en andra av de båda D-formiga fibrerna, så att det styrande ljuset och signalljuset har samma fortplantningsríktning, och - att det styrande ljuset varieras for att styra signalljusets fortplantning dels i den andra fi- bern, dels i den forsta fibern. 1s

3. Optisk anordning innefattande vâgledare, k ä n n e t e c k n a d av - ett skikt av ett material med i hög grad olinjära optiska egenskaper, särskilt ett halvledarma- terial, - två separata vâgledare, båda anbragta på samma sida om och så nära intill materialskiktet, att det evanescenta fältet hos ljus, som fortplantas i vågledarna, sträcker sig fram till skiktet. 20

4. Optisk anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av - att för användning som optisk kopplare eller modulator leds styrande ljus till en första ände av en första av de separata vågledarna och signalljus till en första ände av en andra av de båda separata vågledarna, så att det styrande ljuset och signalljuset har samma fortplantnings- riktning, och zs - att det styrande ljuset varieras för att styra signalljusets fortplantning dels i den andra vågle- daren, dels i den första vågledaren.

5. Optisk anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att de separata vågledarna innefattar fiberkämor anbragta i samma D-formiga fiber.

6. Optisk anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att de separata vågledama so innefattar vågledningskämor anbragta i ett glassubstrat, som är beklätt med ett SiO eller SiO/ SiOz-skikt.

7. Laser innefattande en vâgledare, k ä n n e t e c k n a d av - en smal remsa, vilken - - är anbragt nära intill en vägledande käma i vågledaren och ss - - består av ett skikt av ett material med i hög grad olinjära optiska egenskaper, särskilt ett halvledarmaterial, anbragt så nära intill vågledaren, att det evanescenta fältet hos ljus, som fortplantas i vågledaren, sträcker sig fram till skiktet.

8. Laser enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att vågledaren innefattar en D-fonnig optisk fiber med den smala remsan anbragt ovanpå eller nedsänkt i fiberns plana yta.